辛置煤矿水力压裂卸压增透影响半径数值模拟研究

随着开采深度的增加,辛置煤矿瓦斯涌出量显著增大。为了提高瓦斯抽采效率,拟采用水力压裂卸压增透技术。理论分析了水力压裂对煤层的卸压增透作用,基于此利用RFPA模拟软件对辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂卸压增透进行了数值模拟。研究表明,水力压裂主要在以下3个方面对煤体起到增透作用:使煤体卸压、提高煤层透气性;湿润煤体,增加塑性;改善瓦斯抽放环境。辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂所需压力约为15MPa,压裂半径为5-6m,以此可以初步确定现场施工过程中水力压裂钻孔间距以不大于10m为宜。     

水力扩孔扰动下穿层抽采钻孔串孔致因研究

为解决水力扩孔卸压过度问题,厘定水力扩孔合理冲煤量,进一步提高矿井瓦斯抽采效率,首先运用Hoek-Brown原则揭示和阐明水力扩孔后钻孔串孔发生原因;其次构建流-固耦合数学模型,借助COMSOL模拟软件分析扩孔卸压后煤体所受应力变化和渗透率变化情况;最后结合现场扩孔试验,考察不同扩煤量下钻孔串孔发生情况。结果表明:扩出煤量越大,扩孔孔洞周边煤体的径向位移形变量越大;孔洞附近区域内煤体卸压充分,透气性得到大幅改善,串孔发生率明显增大;现场试验与理论分析、模拟结果基本吻合,可为类似地质条件的矿井实施水力扩孔技术提供一定的参考依据。     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用*

为解决高瓦斯矿井开采过程中煤体透气性差、瓦斯预抽周期长、抽采效果不佳的难题,提出利用深孔预裂爆破技术提高煤体裂隙发育度,增加煤体透气性,从而提高瓦斯抽采率的方法。通过现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法,分析深孔预裂爆破卸压增透内在机理,确定爆破影响半径为4.5~5.3 m,并在A110605工作面进行现场应用,同时考察煤层增透效果。研究结果表明:煤层爆破致裂后,平均瓦斯抽采浓度提高了2.17倍,平均瓦斯抽采纯量提高了2.02倍,煤层透气性系数提高了近5.3倍,煤层卸压增透效果显著,很大程度上消除了煤与瓦斯突出危险性,为实现工作面的安全开采及正常接替提供了保障。     

基于热流固耦合工作面前方瓦斯渗流数值模拟

通过分析温度和地应力对深部煤体瓦斯运移规律的影响,建立了瓦斯渗流热流固耦合模型,以贵州省松和煤矿15#煤层12150采煤工作面为例,利用ComsolMultiphysics软件对深部煤层工作面前方瓦斯渗流进行数值模拟。研究结果表明:受采动影响,在工作面前方“三带”中,卸压区存在大量新裂隙和通道,瓦斯压力梯度最大;在应力集中区至卸压区过渡段瓦斯压力下降速度最快,解释了在该区容易导致瓦斯突出的原因;在应力集中区,瓦斯压力和有效应力较高,压缩煤体,导致煤颗粒排列紧密,渗透率降低;在卸压区,煤体体积形变逐渐变大,产生了很多新裂隙,发生扩容,渗流通道贯通,导致渗透率急剧增加,因此在应力最大处形成了煤层渗透率最低点,随着时间的推移,渗透率最低点逐步远离工作面;在采煤工作面前方,虽然温度升高后瓦斯热运动加剧,有促进瓦斯渗透率的趋势,但由于工作面前方有效应力较大,煤体受热膨胀应力小于有效应力,导致煤体内膨胀,渗流空间减小,造成渗透率降低。     

冲击危险煤层卸压钻孔安全参数研究

为确定卸压钻孔安全参数,保障孤岛工作面安全回采,采用理论计算方法,得出在忻州窑矿8939工作面地质条件下不同孔径卸压钻孔的卸压半径范围;采用数值模拟方法,从应力及能量角度出发,分析验证理论计算结果,确定现场测试方案;在井下应用分布式光纤传感技术(BOTDR)测定钻孔卸压半径及间距。结果表明:卸压钻孔孔径越大卸压效果越好,同时对煤体扰动越大,孔径过大可能诱发冲击地压;卸压钻孔间距存在临界值,钻孔间距小于临界值时,2孔间煤体破坏变形程度较大,卸压效果良好;孔间距大于临界值时,2孔间煤体破坏程度较弱,卸压效果较差。在忻州窑矿8939工作面地质条件下,确定卸压钻孔孔径108 mm,钻孔间距0. 7 m;研究成果保障了8939工作面安全开采。     

倾斜煤层断顶卸压模型试验研究

为研究倾斜煤层断顶卸压位置对煤岩体稳定性的影响,以双鸭山某矿的回采工作面为试验原型,开展地质力学模型试验。采用相似材料和模型架,模拟工作面回采区域的地质构造及煤层赋存的应力状态,通过数字图像相关方法(DICM)实时测试模型断顶前后煤柱、煤体和顶板区域的变形场。结果表明:在巷道紧邻煤柱上部实施断顶,巷道及煤柱内侧出现明显变形集中区域,上覆岩体下沉,煤柱内侧受拉伸;在相邻采空区紧邻煤柱实施断顶,粗砂岩和细砂岩沿岩层界面发生界面滑动,但位移量较小;在煤柱外边缘以里3 m处实施断顶,采空区一侧煤体受上覆顶板压力作用发生塑性变形,煤柱体外侧塑性区产生水平位移,顶板下沉对巷道变形影响较小。煤柱外边缘以里3 m是最合理的断顶卸压位置。     

钻孔瓦斯抽采气固耦合模型及其应用

为研究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯运移机制,基于瓦斯渗流扩散方程,探讨钻孔周围不同区域煤体变形和渗透率动态变化,推导出钻孔周围卸压区和非卸压区瓦斯流动耦合方程。根据某矿己15-31010工作面煤体物性参数建立几何模型,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对耦合方程进行数值求解。结合模拟结果分析煤体形变、渗透率动态变化、钻孔周围瓦斯压力之间的耦合关系。对相关参数模拟结果进行现场抽采效果验证。结果表明,在瓦斯抽采过程中,煤体瓦斯压力随着时间推移逐渐降低,沿钻孔中心向四周方向,瓦斯压力在卸压区迅速增加,在非卸压区增速逐渐变缓,最终趋于稳定;煤体渗透率在钻孔周围呈现非对称V字型变化规律;卸压区的煤体变形较大,变形量在远离钻孔的方向上逐渐减小;模拟结果与现场抽采效果基本吻合。     

极限平衡区顶煤自燃三维非均质动态数值模拟

为探究极限平衡区内顶煤自燃规律,利用Fluent软件对顶煤自燃进行数值模拟研究。通过对顶煤移动变形及自燃特点的分析,确定顶煤自燃过程的模拟为三维非均质动态模拟,并建立数学模型,给出相关参数及边界条件的确定方法。以恒大矿某工作面为例,对其顶煤的自燃过程进行数值模拟,并分析工作面风量及煤体耗氧速度与自然发火期之间的关系。结果表明:对计算区域进行模拟所得到的速度场、氧浓度场及温度场与现场观测结果及理论结果比较吻合;工作面风量对煤体自然发火期影响较小,而对高温区域中心点位置影响较大;煤体耗氧速率与自然发火期近似成负指数函数关系。     

矿井围岩应力松弛区理论计算与试验研究

通过对掘进工作面前方煤体的受力特点进行分析,理论研究了掘进工作面应力分布特征,得出了掘进巷道前方卸压带宽度计算公式,分析了各因素对煤与瓦斯突出发生的影响,现场利用电磁辐射监测技术进行测试,与理论计算结果相吻合。结果表明,掘进工作面前方卸压带的宽度与巷道的高度、巷道煤岩与顶板的摩擦角等因素有重要关系,研究为掘进工作面煤与瓦斯突出预测及防治具有重要的指导意义。     

围岩应力回迁诱发滞后性冲击与突出现象机制研究

为探究卸压区域再次应力集中诱发异常冲击与突出事故的发生机制,以河南某矿25110工作面为例,结合河南2起典型事故,提出应力回迁概念。利用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,研究应力回迁现象的发生过程、力学机制及防治对策。结果表明:围岩应力回迁现象存在,且具有滞后性、隐蔽性特征;深部煤体过度卸压弱化自身承载能力,并迫使支承压力向巷道方向回迁,是滞后性冲击与突出灾害发生的主要原因。结合该类灾害特点,提出近场强卸压与强支护、深部控卸压与强监测的防治对策,并被应用于河南某矿25110工作面,保证了该工作面的安全回采。     

煤层小褶曲附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小褶曲构造附近瓦斯突出灾害防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过FLAC3D数值模拟方法开展了小褶曲附近采动应力场演化特征及对瓦斯灾害的影响规律研究。结果表明:工作面从背斜端或从向斜端揭露小褶曲过程中,小褶曲附近应力场大小呈现逐渐增大的变化特征,在揭露褶曲前应力增大至峰值状态;在揭露褶曲时刻,处于峰值状态的应力迅速降低,释放出大量的弹性能,迫使煤体产生剧烈位移,容易诱发瓦斯突出动力灾害。小褶曲附近高应力积累部位对现场瓦斯突出防治工作至关重要,可以在加强小褶曲探测的基础上,结合区域地应力场方向、构造产状特征、开采条件对煤层瓦斯突出的危险部位及发生时刻做出预测,从而制定出针对性的瓦斯突出防治措施。     

Rapid regional outburst elimination technology in soft coal seam with soft roof and soft floor

In order to solve the problems in outburst elimination of coal seams with outburst potential, methods of field testing, theoretical analysis and numerical simulation are employed in this study. It is found that the horizontal stress concentration surrounding coal unloading boreholes is the primary cause of the coal and gas blowouts in the process of the coal unloading and permeability improvement with high-pressure water jet. The results indicate that low borehole density and inefficient drainage are the main reasons for the occurrence of high outburst indices in the effeteness validation of regional measures to control outbursts. Based on numerical modeling results and onsite parameter testing, reasonable parameters such as borehole density are determined, and hydraulic fracturing is applied to improve coal seam permeability and relieve stress levels so as to eliminate regional outburst potential. The effect is significant in the field application, coal and gas blowout during the coal unloading period with high-pressure water jet is reduced dramatically, and the roadway development rate is increased by 48%. It is demonstrated that the gas drainage combined with the hydraulic fracturing, coal unloading with high-pressure water jet is a practical and effective technique for rapid elimination of coal and gas outburst potential in roadway development.     

坚硬顶板综采工作面推进速度对矿压规律影响研究

以顾桥煤矿坚硬顶板综采工作面工程地质条件为背景,运用理论分析、数值模拟和现场实测手段,分析了开采速度对工作面覆岩运动、围岩破坏、应力分布和液压支架承载特性的影响。研究结果表明:1个周期来压内工作面落煤引起的岩梁刚性回转下沉量是一定的,工作面作业循环时间引起的岩梁蠕变下沉量与岩梁刚性回转下沉量呈正比,加快工作面推进速度仅减少围岩体蠕变引起的岩梁下沉部分。工作面开采速度增加,覆岩塑性区发育范围减小,煤壁应力集中位置变浅、应力集中系数变小。工作面快速推进时,液压支架承载多为2次増阻和3次増阻,支架工作阻力较小;缓慢推进时,液压支架承载多为1次急增阻,载荷近似呈线性增长,支架工作阻力较大。     

孤岛工作面长度对下伏大巷稳定性影响研究

以开滦矿区某矿8#孤岛煤柱回采为工程背景,针对孤岛工作面长度对底板垂直应力的分布影响及下伏大巷围岩稳定性问题展开研究。采用理论分析和数值模拟相结合的手段,建立了孤岛工作面在倾向方向上的底板受力模型,采用半无限体空间理论,推导出底板垂直应力计算公式,将该孤岛工作面实际地质参数带入公式,得出了孤岛工作面长度与底板应力之间的函数曲线。研究表明:当该孤岛工作面长60 m时,对下方-480 m水平大巷产生的垂直应力最小。通过FLAC 3D数值模拟方法验证了8#孤岛工作面合理尺寸（60 m)比实际孤岛工作面长度（100 m)对下方水平大巷的采动影响小,便于维护。     

考虑采空区压实效应的沿空掘巷煤柱设计方法研究*

为建立1种相对科学的沿空掘巷煤柱尺寸设计方法,采用理论与数值试验研究、现场试验等手段,基于采空区压实效应,分析各尺寸煤柱沿空掘巷掘采全过程围岩应力分布与变形。研究结果表明:采空区压实效应模拟研究方法能够模拟采空区应力恢复;掘巷过程中,煤柱内应力由小到大依次为:工作面倾向水平应力、工作面推进方向水平应力、垂直应力,在小尺寸煤柱内呈偏向采空区一侧的单峰分布,小尺寸煤柱逐渐向大尺寸煤柱过渡期间,内部应力量值开始比原岩应力小,随后逐渐增加至出现一定的应力集中,而实体煤帮中峰值应力不断降低,位置逐步向巷帮转移;受超前采动作用后,更大面积的煤柱会受高应力作用,大尺寸煤柱内垂直及水平应力集中系数逐步提高,工作面倾向的高应力区范围更广,当煤柱宽度不超过一定数值时,内部应力大小均低于掘巷过程中相应数值,大煤柱则具有相反的规律,实体煤帮中应力集中系数与掘巷时相比更大,峰值点向围岩深处进一步转移;研究结果通过工程实践检验,可为合理煤柱尺寸设计提供1种新的方法。     

突出煤层掘进防突技术研究

针对焦作矿区单一煤层开采特点,分析煤巷掘进突出和瓦斯涌出规律,探讨防突措施的适应性,研究出严重突出危险掘进工作面中高压注水综合措施,即在巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯,向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行中高压注水。边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯,增大煤体透水性,有利于煤层注水和较高的压力水压裂破坏煤体,增加煤体透气性,提高瓦斯抽放效果。通过在严重突出矿井试验,3115m巷道未发生一次突出,巷道掘进速度平均提高一倍以上,有效解除了突出危险,大幅度提高了掘进速度。研究与实践证明,中高压注水综合防突措施具有广泛的适用性、有效性和安全性特征。     

基于多因素模式识别的煤与瓦斯突出预测研究

采煤工作面煤与瓦斯突出是由煤层自然条件和工程扰动共同作用决定的,充分考虑煤层原始赋存条件和人类工程活动对煤与瓦斯突出的影响,建立多因素模式识别准则和方法,应用VBA技术完成了工作面煤与瓦斯突出危险性动态预测系统开发。以平顶山十矿己15-24080工作面为研究对象,将瓦斯含量、瓦斯压力、采动应力等因素作为工作面煤与瓦斯突出的主要影响因素,运用多因素模式识别方法实现了对工作面煤与瓦斯突出危险性分单元概率预测,且能够随着工作面不断推进进行动态预测和分级管理。研究结果表明:突出危险性预测结果与现场实况有较好的一致性,对煤矿安全开采具有良好的指导作用。     

基于力电耦合冲击矿压电磁辐射预测法的研究

笔者首先提出了煤岩变形破裂过程电磁辐射与应力耦合的概念 ,然后在实验研究、理论分析和数值模拟的基础上从力电耦合的角度研究了煤岩冲击矿压预测的电磁辐射法 (EME)。研究结果表明 :FLAC3D方法能对矿山巷道掘进过程煤岩内部应力场进行有效的数值模拟 ;电磁辐射信号主要来源于应力集中区 ,在场点监测到的电磁辐射信号主要是应力集中区煤岩变形破裂过程产生的 ;EME信号呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律 ;利用力电耦合方法研究煤岩冲击矿压电磁辐射预测法是可行的。笔者最后还对未来煤岩冲击矿压电磁辐射预测法的研究进行了展望。